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何 谓 时 间

(2012-03-05 05:39:35)
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文化

观念变革

物理学创新

杂谈

每秒钟

简介:去年,吴会长曾经发邮件点名6个人围绕“时间”撰写文章,说是联谊会准备展开这一方面的深入讨论;先邀请几个人开个头,有愿意参与讨论者欢迎加入,逐渐扩大参与人员的队伍。

我很快就发去“何谓时间”这篇文章;紧接着,又写了一篇“围绕‘时间’面面观”,因为第一篇文章都没有见到发表,所谓的“深入讨论”也消声灭迹了。我也就没有再给吴会长发第二篇文章。

下边这一段文字,是第二篇文章的“前言”。

北京相对论研究联谊会发出集思广益地探寻“时间”之真谛的倡议,本人举双手赞同,并且愿意倾自己之所知以就教于联谊会同仁。

这里把平日所思考的一些“断想”集结在一起,分别从不同角度聚焦于一个相同的术语-“时间”;每一篇都只针对某几个要点,并不是完整的文章。只要能够对诸位的论述有所补益,愚亦心满意足也。

笔者跟“时间”的特别缘份,最重要的“红娘”是家里使用的那一台古老的摆钟。我就是使用它、经过半年的实验,得出一个可以难倒所有物理学家的选择题,从而确立了时钟根本就不存在“固有周期”的观念,彻底动摇了物理学原理都属于真理的信念。

于是就产生了围绕“时间”的诸多争议和困惑,全都是诡谲多变的钟在捣鬼的想法—— 十多年的经历证明,我确实找对了突破口。

用于度量过程之长短的仪器,包含着“客观自在的真实钟差”,承认不承认这一点,即是能否正确认知“时间”的分水岭。

“相对论前一个根深蒂固的观念是:有了一只标准钟,不管动、静到处用”(倪光炯:《近代物理》)。

高中《物理》教材中这样的内容,即是产生“标准钟”观念的温床:

“在一定的地点,g的值一定,一定摆长的单摆就有恒定的周期,摆的这个性质被用在摆钟上计量时间”—— 钟既然具有“恒定的周期”,自然就存在着“固有周期”不变的“标准钟”了。

但是,广州、北京和北极的g之比为9.788/9.801/9.832,依据单摆公式何 <wbr>谓 <wbr>时 <wbr>间,要让这三个地方的钟“读数一致”,就必须满足三台钟的摆长L之比同样是9.788/9.801/9.832—— 全国各地的钟之所以能够“读数一致”,就因为它们的“结构”、即摆长L都不尽相同。

试想:高中《物理》如果同时讲了“但是”,有谁还会执迷于“标准钟”呢?

 

 

 

 

 

摘要:不少有真知灼见的学者都说:物理学要想摆脱当前的困境,必须正确回答空间时间是什么。

本文就从“时间”是一个跟“过程”相关的术语,并不是一种实际的存在切入,先从时间观念的产生总是跟日、月、年的“周期性”循环相关谈起,讲清所谓的“时间”和物理学量纲式中的“时间T”的本质差异;接下来讨论“时钟”作为记录“时间数值”的仪器,所记录的数据跟“时间T”总是倒数关系,而真正的作用机制则源自于空间中不同位置的g之不同,从而提出严格区分时间、时间T、时间t的必要性;同时讲述了时间T的绝对性、时间t的相对性,及其时钟用于记录时间数值的被动性。最后指出:客观存在的度量时间的标尺总是“相对的”,而人们为了协调社会群体活动,所必需的度量时间的标尺却是“绝对的”;经典物理学和相对论的时间观,就存在于“一念之差”中—— 伽利略变换的t’=t只不过是一种近似而已,虽说具有很好的实用性,却不具有真理性!

长期以来不少人对相对论时间观的质疑和责难,根源就在于把伽利略~牛顿体系的“经验知识”,当成了属于真理范畴的“理性知识”;而不清楚在科学理论中“经验知识和理性知识是永恒的对立”(爱因斯坦语)。

关键词:时间、时间T、时间t、时钟、周期

 

 

时间,是日常生活中应用非常广泛、与经验直接相关的一个基本概念,似乎无需定义人人都知道它指的是什么。但是,在爱因斯坦那《论动体的电动力学》问世之后,围绕时间的争议就日渐增多。

本文就尝试着回答这个问题。

 

1. 何谓时间

时间作为与经验直接相关的日常用语,在哲学或一般的理论著作中,也都没有给出过定义。我们把它定义为:

时间:是用于指称记录一个或比较两个事件过程长短的术语。

追溯关于时间观念形成的历史,最初肯定和日出日没的周期性循环直接相关,而后逐渐拓展到与月圆月缺、春夏秋冬周期性循环相关联、使用日、月、年表述的时间观念。

推论1: 人类最初的时间观念都总是和周期相关联的。

 

而后,为了能够比较准确地记录一天之内较小的时间间隔,就发明了使用焚香、沙漏、滴水漏和日晷等计时的方法。

久而久之就形成了时间总是有起始有结尾的直线型时间观,逐渐忘却了时间总是和周期相关联的既定事实。

推论2: 时间本来是和周期相关联的术语,由于经验的时间总表现为“有始有终”,年深日久的积累就有了“带箭头”的直线型时间观。

2. 计量时间的单位

随着人类社会的发展,群体活动对计量时间的精度要求越来越高,就产生了“时”、“刻”之类概念—— 西方把一昼夜分为24小时;中国把一昼夜分为12时,俗称的“一时八刻”与西方的15分为一刻正相吻合。对于日常生活而言,用“时”、“刻”来计量时间基本上就可以了。

但是,对于物理学而言,这样的计时单位却远远不能满足需求。摆钟出现之后,一小时被分为3600秒,计时的最小单位一下子提高了许多。

依据单摆公式何 <wbr>谓 <wbr>时 <wbr>间制成的摆钟,其中的T是一个由g决定的表示周期长短的量;如果我们认定摆锤完成一次全振动的时间间隔为1秒,那么,所谓的时间T即是由g作用于摆锤物理效应的直接显示。

推论3: 物理学量纲式中的时间T,是g作用于单摆的直接显示,或曰g是使单摆得以周期性振动的主动因;依据单摆原理制成的钟,却只能被动地记录这种“物理作用”的结果。

传统计量时间是把地球自转一周(即一昼夜)的1/86400定为1秒,叫做世界时;发现地球的自转周期不稳定后,从1886年开始“采用天文观测求得太阳出现在天顶的平均周期(即太阳日)的1/86400为1秒”。

1960年第十一届国际计量大会批准:“秒为1900年1月0日历书时12时起算的回归年的1/31556925.9747”,被称为“历书时”,—— 这两种定义都是以天体运行周期的1/n来定义的秒长。

1967年第十三届国际计量大会批准,“秒等于铯133原子基态的两个超级精细能级之间跃迁辐射周期9192631770倍的持续时间”,被称为“原子时”(TAI),定义秒同样使用的是周期

推论4: 物理学量纲式中时间T的单位被规定为,它是一个由周期决定的物理量。无论是世界时、历书时、原子时,都是依据某种物理过程之周期的1/n或n倍定义秒长的;即使是摆钟,它的秒长T也是由客观存在的物理量g所决定—— 足以能够说明:

物理学理论中所使用的、表示时间间隔的T(即秒长),是一个从多种物理过程中抽象出来的、具有真实物理意义的基本概念。

推论5:物理学量纲式中的时间T,可以定义如下:

时间T,指用于计量时间间隔长短的标尺;其实质是借用周期精确度量空间自然场强度g的一个物理量。单位是秒长,简称为秒。

秒长的定义历史上虽说发生过多次变革,但是都总是和周期直接相关;而这些周期又都是依据真实的物理过程所决定,故而就具备了客观的真理性,可以认为T即是跟空间中不同位置g之大小直接相关的物理量。

 

3. 时间间隔T  时间数值t

时钟是用于计时的一种仪器,所使用的计量单位越大,钟上所记录的数值就越小;从物理学角度讲,时钟上所显示的时间数值t,是由所使用表示时间间隔T的长度来决定的—— 即时间间隔T是一个具有物理意义的量,而时间数值t却只具有数学而并不具有物理学意义。

在推论3中已经指出:g是使单摆得以周期性振动的主动因;依据单摆原理制成的钟,却只能被动地记录这种“物理作用”的果—— 时钟与g的关系,可以类比于温度计:温度计上所显示的数值,是某一特定区域能量(即ε)密度所产生的物理效应;时钟所显示的数值,则是空间中某个位置的g 所产生的物理效应。

推论6: 时钟、温度计、安培计等仪器所显示的数值,都是直接参与物理事件过程的作用量(即物理量)所发挥作用被动的显示,而真正具有物理意义的则分别是:空间自然场强度g能量ε密度电流强度I

 

与日常生活相关的时间观念是:

时间是客观的(东西),它像水似地自身在那里等速地流逝着,任何地方的时间间隔都具有确定的度量标准—— 用予以计量。

以牛顿力学为典范的经典物理学为了能够精确地描述运动,时间的间隔和确定的时刻成为非常重要的物理量,于是就产生了不同地方、不同参照系“钟读数一致”的需求;伽利略T-L变换规定的t’=t,正好可以满足这种需求,所以在伽利略~牛顿体系中,时间T就被认为是绝对的

t’=t被看做是绝对的,这跟人类协调群体活动的需求又完全一致,久而久之人们对时间的认识就形成一种定势:

不同参照系的钟读数一致,是天经地义的。

然而,人们(包括科学家)却忽略了日常生活中一种被“熟视无睹”的现象,广播和电视为什么总要提供“校钟”的时间信息呢?

经典物理学也早就承认:同一台钟放在不同高度或纬度,快慢本来就不相同,因为即使是在地球表面附近,g也是一个变量—— 伽利略T-L变换的t’=t只是一种近似!

真实的情况则是:在地球上的不同高度或纬度,作为“客观存在”的时间间隔T(实际上指的是g)本来就不具有统一而确定的计量标准。

推论7: 伽利略T-L变换的t’=t只是一种近似!

因为它正好满足了人类协调群体活动的需求,凭着经验人们就把它当成了真理;却忘记了广州、北京和北极的g之比为9.788/9.801/9.832,如果在这三个地方放上结构和精度完全相同的钟,这三个钟的秒长 T之比即为3.136/3.130/3.129—— 存在于广州、北京和北极的三个参照系相互变换时,t’=t就绝对不再适用。

 

由于伽利略T-L变换的时间观,与人类的经验吻合得很好,对经典物理学又非常实用,长期以来即使是科学家们也都认为所谓的时间,指的就是时钟所记录的数值t。爱因斯坦在《论动体的电动力学》中,所使用的时间概念指的究竟是什么,百余年来都还没有能够弄清楚其内涵。

A·爱因斯坦在《论动体的电动力学》中写道:

 

何 <wbr>谓 <wbr>时 <wbr>间
仔细推敲A·爱因斯坦的上述说法,并不难发现他在这里不是讲“钟……要慢”,而是指“时间(在静系中看来)每秒钟要慢”——即量纲式中所使用的时间T要减少“ 秒”,根本就不是指钟的读数t“要慢”。

推论8: 对于高速运动物体上的时间效应,爱因斯坦明确指出是:“时间(在静系中看来)每秒钟要慢”,而不是钟所记录的数值“要慢”。

百余年来由于缺乏对时间间隔T时间数值t的严格甄别与区分,致使把“时间收缩”说成是“时间膨胀”,把“动钟变快”说成是“动钟变慢”,众说纷纭、莫衷一是的根源,就在于把Tt混为一谈。

 

综上所述,通常所谓的“时间”,只不过是一个跟“过程”相关的术语,并不是有些人所认为的“基本存在”;要比较“过程”的长短,就必须规定一个标尺,物理学量纲式中的时间T,就是用于度量过程之长短的标尺;而时钟所记录的时间数值t,跟量纲式中的时间T则呈倒数关系,这一点迄今都没有能够引起理论界的关注,即是导致围绕“时间”这个术语产生诸多混乱的根源之所在。

人类的时间观,从一开始就是跟“周期”直接相关的一种理念;对于度量时间之单位的定义,无论是世界时、历书时、原子时,都是以“周期”为据而确定的。人们(包括科学家)却忽略了所有这些“周期”都是一种客观的物理过程,根本就不受人的“规定”所左右—— 故而客观存在的度量时间的标尺都是“相对的”,具体的讲就是在高度不同的空间位置,根本就没有统一而确定的度量时间的标准;而我们为了协调社会群体活动、进行科学研究,所需要的度量时间的标准却必须是“绝对的”。

自然科学的进步,就是在这种关于“度量时间的标准”之“相对”和“绝对”的夹缝中发展和前进的。当今观念上的混乱,就产生于无条件地相信伽利略变换的t’=t是绝对的真理,而不清楚这种变换实际上是只具有“实用性”的“经验知识”;理由是即使是在地球表面附近,g也是一个变量而不是常量,故而t’=t就只能是一种近似而已。

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